定子槽口寬度對同步電機轉子渦流損耗的影響研究

魏士文 張洪信 趙清海

摘要： ?針對定子槽口寬度對永磁同步電機轉子渦流損耗的影響問題，探討定子槽口寬度與轉子渦流損耗之間的關系。以額定功率為18 kW的四極機電液耦合器表貼式永磁同步電機為例進行研究。同時，采用Ansys EM電磁場軟件，建立電機二維有限元模型，在定子槽口不同寬度下，對氣隙磁場諧波幅值的變化與轉子上電渦流密度分布情況進行分析，分析磁場諧波幅值、轉子電渦流密度與定子槽口寬度的關系。仿真結果表明，氣隙磁場中的一階齒槽諧波幅值最大，且其幅值隨槽口寬度的增加而增大;渦流主要集中在轉子表層，轉子表層渦流密度隨槽口寬度的增加而增大;轉子中渦流損耗隨槽口寬度的增加而增大，且渦流損耗與槽口寬度成二次函數關系。該研究為永磁同步電機定子槽型的優(yōu)化設計提供了理論依據。

關鍵詞： ?表貼式永磁同步電機; 槽口寬度; 氣隙磁場諧波; 電渦流密度; 渦流損耗

中圖分類號： TM341 ?文獻標識碼： A

3.2.2 轉子渦流

氣隙中的磁場頻域分解后，除基波磁場與轉子無相對速度外，其諧波將在轉子上產生交變電磁場，導致轉子及護套中產生感應電渦流，對其進行有限元仿真計算，轉子中感應電渦流密度云圖如圖8所示。由圖8可以看出，轉子護套中的電渦流密度最大，而轉子內部的轉子軸、柱塞以及永磁體中的電渦流密度基本為零。其主要原因如下：

1） 轉子護套材料的電導率遠大于轉子其他部分材料的電導率（轉子護套材料為鋁合金，其電導率為3.6×107 S/m，永磁體材料為N39UH，其電導率為714 286 S/m）。

2） 轉子護套對轉子內部起電磁屏蔽作用，當氣隙諧波分量進入電導率較大的護套之后，將在其內部產生渦流，此渦流的反作用會使進入電機轉子內部的磁場諧波分量減少[1920]。

在轉子半徑線上，電渦流密度沿轉子半徑線分布曲線如圖9所示，轉子內部電渦流密度基本為零，渦流主要集中在轉子護套上，且在轉子護套內表面到外表面電渦流密度逐漸增大。

當槽口寬度Bs0分別取2 mm，4.5 mm和6 mm時，轉子外表層電渦流密度隨圓周長度變化曲線如圖10所示。由圖10可以看出，隨著槽口寬度Bs0的增大，電渦流密度增大。

在轉子外表層，電渦流密度有效值隨槽口寬度變化曲線如圖11所示。由圖11可以看出，電渦流密度有效值隨槽口寬度的增加而增大。

3.2.3 渦流損耗

轉子上的渦流損耗包括轉子鐵芯及轉子護套上的渦流損耗，運用Ansys EM電磁場仿真軟件，對電機模型進行計算，當槽口寬度Bs0分別取2 mm，4.5 mm和6 mm時，轉子渦流損耗隨時間變化曲線如圖12所示。由圖12可以看出，電機穩(wěn)定后，Bs0取2 mm時的渦流損耗最小，且脈動最小;Bs0取6 mm時的渦流損耗最大，且脈動最大，這與氣隙中電磁場諧波幅值大小及轉子上的電渦流密度大小仿真結果一致。對Bs0取不同值（2～6 mm）時的9個電機模型進行仿真，并取電機穩(wěn)定后一個周期內的轉子渦流損耗有效值，對各點進行曲線擬合，轉子渦流損耗隨槽口寬度變化曲線如圖13所示。由圖13可以看出，轉子上的渦流損耗隨槽口寬度的增加而增大，且成二次函數關系。

4 結束語

本文主要研究了定子槽口寬度變化對同步電機轉子渦流損耗的影響。利用Ansys EM電磁場軟件，對18 kW耦合器用同步電機進行二維建模與仿真計算，分析了不同槽口寬度時，氣隙中諧波磁場幅值變化及轉子中電渦流密度分布情況，并通過曲線擬合的方法，得到該電機模型轉子渦流損耗與定子槽口寬度的函數關系。仿真結果表明，負載時的氣隙磁場發(fā)生畸變，其中一階齒槽諧波（550 Hz，650 Hz）幅值最大，且諧波幅值隨槽口寬度的增加而增大;受肌膚效應及電磁屏蔽的影響，渦流主要集中在轉子護套表面，轉子外表層處電渦流密度隨槽口寬度的增加而增大。定子槽口寬度的增加將引起轉子中渦流損耗的增大，對本文中的電機模型，轉子中渦流損耗與槽口寬度成二次函數關系。該研究對永磁同步電機定子槽型的優(yōu)化設計具有一定的參考意義。

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